Das
Lernpaket ist erstmalig 2005 unter dem Namen Lernpaket Elektrotechnik
herausgebracht. Seitdem hat sich der Name geändert, der verwendete
Motor und die beiliegende CD.
Das Handbuch ist übersichtlicher geworden und hat jetzt mehr
Seiten.
Einleitung
Dieses
Lernpaket wurde zusammengestellt, um Ihnen einen leichten Start in die
Elektronik zu ermöglichen. Die wichtigsten Bauteile und die wichtigsten
Information in kompakter Form ermöglichen einen optimalen Einstieg.
Führen Sie einfache Experimente aus, und erlernen Sie dabei die
Grundlagen. Das Lernpaket gliedert sich in zwei große Abschnitte.
Im Kapitel 2 bis 8 stehen einfache Experimente ohne umfangreiche
Berechnungen im Vordergrund. Sie erhalten ein Gefühl für die
physikalischen Zusammenhänge und lernen auch komplexe Schaltungen zu
durchschauen. Im zweiten Teil des Lernpakets ab Kapitel 9 werden dann
auch Messungen und Berechnungen durchgeführt. Die Versuche stützen sich
auf einfache analoge und digitale Messgeräte, die nicht im Materialsatz
enthalten sind und zusätzlich angeschafft werden müssen. Sie erhalten
eine gründliche Einführung in die Messtechnik und in die Berechnung der
wichtigsten Kennwerte in elektrischen Stromkreisen.
Diese
Anleitung geht von der Praxis aus und vermeidet unnötig tiefe Ausflüge
in die Theorie, damit Sie zügig zu den interessanten Experimenten
vorstoßen. Sie werden aber bemerken, dass auch in der praktischen
Anwendung immer etwas Theorie nötig ist. Im ersten, rein
experimentellen Teil des Lernpakets wird daher immer wieder etwas
vorgegriffen, um Entscheidungen für bestimmte Bauteile in knapper Form
zu begründen. Messungen und Berechnungen werden erst dann behandelt,
wenn auch klar ist, wozu man sie braucht.
Dem Lernpaket liegt
die CD „Elektronik-Werkzeugkasten“ bei. Informieren Sie sich
zusätzlich am PC über Theorie und praktische Anwendungen. Die CD
enthält grundlegende Informationen und einfache Simulationsprogramme
zum elektrischen Stromkreis, zu elektrischen und elektronischen
Bauelementen und zur Schaltungstechnik. Eine große Sammlung einfacher
Hobbyprojekte aus allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik
vermittelt zusätzliche Impulse für eigene Entwicklungen. Sie erhalten
auch Hinweise auf alternative Aufbautechniken. Wenn also eine der
Schaltungen im Lernpaket dauerhaft genutzt werden soll, können Sie
statt der Krokodilklemmen z.B. Lötverbindungen einsetzen.
1 Einleitung 7
2 Der elektrische Stromkreis 13 2.1 Vorsicht, heiß! 13 2.2 Der Motor im Stromkreis 14 2.3 Strom und Stromrichtung 15 2.4 Energie und Leistung 17 2.5 Spannung 19 2.6 Widerstände 22
3 Leuchtdioden 27 3.1 Eine LED-Lampe 27 3.2 Vorwiderstände 28 3.3 Untersuchung der Mindestspannung 31 3.4 Steigerung der Effizienz 32
4 Schalter 37 4.1 Erschütterungssensor 37 4.2 AN oder AUS 38 4.3 Umschalter 41 4.4 Die UND-Schaltung 43 4.5 Die Oder-Schaltung 44 4.6 Wechselschalter 45
5 Parallel- und Reihenschaltung 49 5.1 Farbspiele 49 5.2 Parallelschaltung von Verbrauchern 50 5.3 Reihenschaltung von LEDs 53 5.5 Die Si-Diode 56 5.7 Ein Polaritätstester 56
6. Elektromagnetismus und Induktion 57 6.1 Dynamo-Taschenlampe 57 6.2 Drehrichtungsanzeige 59 6.3 Induktion und EMK 59
7 Der Kondensator 63 7.1 Blitzlicht 63 7.2 Laden und entladen 64 7.3 Wechsel-Blitzlicht 65 7.4 Dynamo-Blitzlampe 66
8 Der Transistor 67 8.1 Berührungssensor 67 8.2 Stromverstärkung 69 8.3 Der Inverter 70 8.4 Zeitschalter 72 8.5 Motorschalter 73 8.6 Ein Drehsensor 74
10 Messungen im Stromkreis 89 10.1 Spannung, Stromstärke und Widerstand 89 10.2 Reihenschaltung und Spannungsteiler 90 10.3 Parallelschaltung von Widerständen 92 10.4 Messfehler 94 10.5 Innenwiderstand einer Spannungsquelle 95 10.6 Diodenkennlinien 97 10.7 Messungen an LED-Schaltungen 104 10.8 Messungen an einer Transistor-Schaltstufe 106
Zwei Beispielkapitel:
2.2 Der Motor im Stromkreis
Grundlage
der Elektrotechnik ist der elektrische Stromkreis. Auch komplexe
Schaltungen beruhen auf einfachen Stromkreisen. Führen Sie zuerst
einige Versuche durch. Dabei wird grundsätzlich eine elektrische
Energiequelle und ein Verbraucher benötigt.
Verbinden Sie das
Batteriefach über zwei Leitungen mit dem Motor, wie es das Foto zeigt.
Die Leitungen wurden mit Absicht in einem Kreis ausgelegt, um den
Strom-„kreis“ anzudeuten. Die Kabel wurden übrigens speziell für die
Fotos im Handbuch gekürzt. Die Krokodilkabel in Ihrem Experimentiersatz
sind dagegen länger.
Abb. 2.2 Ein Stromkreis mit Batterie und Motor
2.3 Strom und Stromrichtung
Der
Aufbau soll nun in einem Schaltbild betrachtet werden. Abb. 2.3 zeigt
die Batterie mit vier Zellen, den Motor und die beiden
Verbindungsleitungen. Die Schaltung stellt einen geschlossenen
Stromkreis dar. Sobald Sie eine der Krokodilklemmen lösen, unterbrechen
Sie den Kreis und schalten damit den Strom ab.
Achtung!
Vermeiden Sie unbedingt eine direkte Verbindung der Batteriepole ohne
einen Verbraucher. Ein solcher Kurzschluss wäre zwar auch ein
Stromkreis, es würde aber zu viel Strom fließen und eventuell die
Kabel, zumindest aber die Batterie beschädigen.
Abb. 2.3 Der einfache Stromkreis
Die
Pfeile im Schaltbild zeigen die Richtung des fließenden Stroms. Strom
fließt immer vom Pluspol der Batterie durch den Verbraucher zurück zum
Minuspol der Batterie. Strom ist die Bewegung elektrischer Ladung, die
ohnehin immer in jedem Material enthalten ist. Tatsächlich wird die
bewegte elektrische Ladung von kleinsten negativ geladenen Teilchen,
den Elektronen getragen, die sich genau in Gegenrichtung zum
elektrischen Strom bewegen. Die Stromrichtung ist letztlich historisch
durch eine willkürliche Definition festgelegt worden. Danach tragen die
positiven Protonen im Inneren der Atomkerne eine positive Ladung, die
kleineren Elektronen dagegen eine negative.
Der elektrische
Strom wird in Ampere (A) gemessen, die elektrische Ladung in Coulomb
(C). Wenn eine Ladung von 1 C sich in einer Sekunde durch den Draht
bewegt, beträgt die Stromstärke 1 A. Die Stromstärke kann mit einem
Messgerät gemessen werden, was weiter unten genauer erläutert wird. Aus
der Stromstärke und einer gemessenen Zeit kann auch die insgesamt
bewegte elektrische Ladung berechnet werden. Vorerst sollen aber nur
Versuche ohne Messungen vorgestellt werden. Sie erhalten bereits viele
Hinweise, wann mehr oder wenige Strom fließt, brauchen sich jedoch noch
nicht mit genauen Messwerten auseinandersetzen.
Vertauschen
Sie nun die Anschlüsse an der Batterie oder am Motor. Sie werden
feststellen, dass sich die Drehrichtung des Motors ändert. Es handelt
sich aber weiterhin um einen einfachen (unverzweigten) Stromkreis, auch
wenn die Schaltung nun etwas anders aussieht.
Abb. 2.4 Umkehrung der Drehrichtung
8.1 Berührungssensor
Schalten
Sie den Transistor in Reihe zu einer Leuchtdiode mit Vorwiderstand. Der
Emitter-Anschluss (E) muss mit dem Minusanschluss der Batterie
verbunden werden. Der Kollektor-Anschluss wird über den Verbraucher mit
dem Pluspol verbunden. Der Transistor wirkt zunächst wie ein geöffneter
Schalter. Die LED leuchtet also nicht.
Abb. 8.1 Aufbau eines Berührungssensors
Zusätzlich
enthält die Schaltung Anschlüsse an der Basis (B) und am Kollektor (C).
Berühren Sie die Kabelenden und fügen Sie dadurch eine schwach leitende
Verbindung zwischen B und C ein. Der Hautwiderstand beträgt in
Abhängigkeit von der Feuchtigkeit etwa 10 kOhm bis 1000 kOhm. Es fließt
daher nur ein sehr kleiner, nicht fühlbarer Strom durch Ihren Körper.
Trotzdem geht die LED an. Der kleine Sensorstrom wurde durch den
Transistor verstärkt. Steuern Sie den Strom durch die LED durch mehr
oder weniger kräftigen Druck auf die Anschlussklemmen.
Abb. 8.2 Das Schaltbild des Berührungssensors
Das
Schaltbild des Versuchs zeigt einen verzweigten Stromkreis. Der
kleinere Strom durch den Sensorwiderstand (Finger) fließt durch den
Verbraucher und die Basis. Der Basisstrom bewirkt, dass zusätzlich ein
größerer Kollektorstrom ebenfalls durch den Verbraucher fließt.
